Cặp nhiệt điện-Thiết bị đo và hiệu chuẩn cặp nhiệt điện (Cảm biến Thermocouple)

Tổng quan về cảm biến nhiệt điện

Nhiệt độ từ môi trường hay vật chất phát ra đều có thể đo được bằng nhiều cách.  Có lẽ “cảm biến” đầu tiên của người tiền sử khi phát minh ra lửa, chính là da thịt hay xúc giác của cơ thể mình. Nhưng ngày nay ta không thể đo một vật mà hi sinh đi một bộ phận của bản thân được…

Qua những tiến bộ khoa học, các phát minh ra cảm biến nhiệt độ (Temperature Sensor) đã được bắt đầu chú ý, một nguyên tắc chung cho các phát triển của các loại cảm biến là: tối ưu hóa sự trao đổi nhiệt năng giữa môi trường với cảm biến. Có rất nhiều loại cảm biến nhiệt độ khác nhau, song vẫn thường dùng nhất trong công nghiệp là 3 loại cảm biến nhiệt độ sau đây: Loại cặp nhiệt điện (Thermocouple), Loại nhiệt điện trở (RTD_resistance temperature detectors) và loại cảm biến nhiệt hồng ngoại (infraed Sensor).

A.    Thermocouple – Cặp nhiệt điện

1.     Nguồn gốc.

Năm 1821 nhà vật lý người Đức Thomas Johann Seebeck đã phát hiện ra rằng, khi bất kì một dây dẫn phải chịu một sự thay đổi nhiệt, nó sẽ sinh ra một sự khác biệt về điện áp và ngược lại. Điều này được gọi là hiệu ứng nhiệt hay hiệu ứng Seebeck.

2.     Cấu tạo.

Gồm 2 dây kim loại khác nhau được hàn dính 1 đầu gọi là đầu nóng ( hay đầu đo), hai đầu còn lại gọi là đầu lạnh ( hay là đầu chuẩn ). Khi có sự chênh lệch nhiệt độ giữa đầu nóng và đầu lạnh thì sẽ phát sinh 1 sức điện động V tại đầu lạnh. Dựa trên nguyên lý này, người ta chế tạo ra các loại cảm biến nhiệt độ thermocouple để đo nhiệt độ. Bằng việc đo giá trị hiệu điện thế từ các đầu lạnh của cặp nhiệt điện, người ta có thể tính toán được giá trị nhiệt độ mà đầu nóng đang chịu. Từ đó, các ứng dụng về đo nhiệt độ bằng cặp nhiệt điện ra đời và được sử dụng rất rộng rãi trong công nghiệp. Một vấn đề đặt ra là các cặp nhiệt điện phải có sự ổn định và đo được nhiệt độ ở đầu lạnh, điều này tùy thuộc rất lớn vào chất liệu các kim loại làm cặp nhiệt điện. Do vậy, cùng với thời gian đã xuát hiện các chủng loại cặp nhiệt độ khác nhau, mỗi loại cho ra 1 sức điện động khác nhau: E, J, K, R, S, T. Vì thế, người dùng cần phải lưu ý điều này để chọn đầu dò và bộ điều khiển cho thích hợp.

Dây của cặp nhiệt điện thì không dài để nối đến bộ điều khiển, yếu tố dẫn đến không chính xác là chổ này, để giải quyết điều này chúng ta phải bù trừ cho nó ( offset trên bộ điều khiển ).

LT-100 Thermocouple Reference Meter

3.     Đặc tính

Từ những yếu tố trên khi sử dụng loại cảm biến này chúng ta lưu ý là không nên nối thêm dây ( vì tín hiệu cho ra là mV nối sẽ suy hao rất nhiều ). Cọng dây của cảm biến nên để thông thoáng ( đừng cho cọng dây này dính vào môi trường đo ). Cuối cùng là nên kiểm tra cẩn thận việc Offset thiết bị.

4.     Công thức tính

§Điện áp được tạo ra bởi cặp nhiệt điện được cho bởi công thức

                         V = S * ΔT

Trong đó:

•        V: Điện áp đo được (V)

•        S: Hệ số Seebeck (V/⁰C)

•        ΔT: Chênh lệch  nhiệt độ giữa 2 mối nối

Do đó, nhiệt độ cần đo được tính theo công thức

               T= T_{tham chiếu} + V/S    (°C)

5.     Thuận lợi

§Cấu tạo đơn giản, chịu được va đập

§Khoảng đo nhiệt độ rộng

§Rẻ tiền

§Đáp ứng nhanh

§Đa dạng

6.     Khó khăn

§Phi tuyến

§Ít ổn định

§Điện áp thấp

§Cần điểm tham chiếu